16.03.2020 - Universität Basel

Estudios sin perturbadores de moléculas individuales

Nuevas aplicaciones en los campos de la ciencia cuántica, la espectroscopia y la química

Los investigadores de la Universidad de Basilea han desarrollado un nuevo método con el que se pueden estudiar con precisión las moléculas individuales aisladas, sin destruir la molécula o incluso influir en su estado cuántico. Esta técnica de alta sensibilidad para sondear moléculas es ampliamente aplicable y abre el camino a una serie de nuevas aplicaciones en los campos de la ciencia cuántica, la espectroscopia y la química, como informa la revista "Science".

Los análisis espectroscópicos se basan en la interacción de la materia con la luz y representan la herramienta experimental más importante para estudiar las propiedades de las moléculas. En los experimentos espectroscópicos típicos, una muestra que contiene un gran número de moléculas es irradiada directamente. Las moléculas sólo pueden absorber luz a longitudes de onda bien definidas que corresponden a diferencias de energía entre dos de sus estados cuánticos. Esto se denomina excitación espectroscópica.

En el curso de estos experimentos, las moléculas son perturbadas y cambian su estado cuántico. En muchos casos, las moléculas incluso tienen que ser destruidas para detectar las excitaciones espectroscópicas. El análisis de las longitudes de onda y las intensidades de estas excitaciones proporcionan información sobre la estructura química de las moléculas y sus movimientos, como las rotaciones o las vibraciones.

Inspirado por los métodos cuánticos desarrollados para la manipulación de átomos, el grupo de investigación del Prof. Stefan Willitsch del Departamento de Química de la Universidad de Basilea ha desarrollado una nueva técnica que permite realizar mediciones espectroscópicas a nivel de una sola molécula, aquí como ejemplo una sola molécula de nitrógeno cargada. La nueva técnica no altera la molécula o incluso perturba su estado cuántico.

En sus experimentos, la molécula es atrapada en una trampa de radiofrecuencia y enfriada hasta cerca del punto cero absoluto de la escala de temperatura (aprox. -273 °C). Para permitir el enfriamiento, un átomo auxiliar (aquí un solo átomo de calcio cargado) es simultáneamente atrapado y localizado junto a la molécula. Esta proximidad espacial también es esencial para el posterior estudio espectroscópico de la molécula.

Una sola molécula en una red óptica

Posteriormente, se genera una fuerza sobre la molécula al enfocar dos rayos láser sobre las partículas para formar una llamada red óptica. La fuerza de esta fuerza óptica aumenta con la proximidad de la longitud de onda irradiada a una excitación espectroscópica en la molécula, lo que da lugar a una vibración de la molécula dentro de la trampa en lugar de su excitación.

La fuerza de la vibración está por lo tanto relacionada con la proximidad de una transición espectroscópica y se transmite al átomo de calcio vecino desde el cual se detecta con alta sensibilidad. De esta manera, se puede recuperar la misma información sobre la molécula que en un experimento espectroscópico convencional.

Este método, que es un nuevo tipo de espectroscopia de fuerza, introduce varios conceptos nuevos: En primer lugar, se basa en moléculas individuales en lugar de grandes conjuntos. En segundo lugar, representa una técnica completamente no invasiva, ya que la detección se realiza de forma indirecta (a través de un átomo vecino) y sin una excitación directa de las transiciones espectroscópicas. Por lo tanto, el estado cuántico de la molécula se deja intacto, de modo que la medición puede repetirse continuamente. Como resultado, el método es mucho más sensible que los métodos espectroscópicos establecidos que se basan en la excitación directa y la destrucción de un gran número de moléculas.

Aplicaciones en relojes extremadamente precisos y bloques de construcción para computadoras cuánticas

Hay una gama de aplicaciones prospectivas del nuevo método, explica el Prof. Willitsch: "Nuestro tipo de espectroscopia de fuerza permite mediciones extremadamente precisas en moléculas que no son posibles con las técnicas espectroscópicas convencionales. Con el nuevo método se pueden estudiar las propiedades moleculares y las reacciones químicas de forma muy sensible y en condiciones definidas con precisión a nivel de una sola molécula". También allana el camino para la investigación de cuestiones muy fundamentales como ʻAre constantes físicas realmente constantes o que varían con el tiempo?ʼ Una aplicación más práctica podría ser el desarrollo de un reloj ultrapreciso basado en una sola molécula - o la aplicación de las moléculas como bloques de construcción para las computadoras cuánticas".

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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